化学反应工程模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本为“化学反应工程模块”的用户引入了流体的热力学属性数据库,以及将这些属性耦合到反应工程接口的功能,并新增了三个教学案例对新功能进行演示。请阅读以下内容,了解这些化学反应工程特征的更多信息。

自由和多孔介质流动接口的功能改进

在新版的自由和多孔介质流动 接口中,您可以将自由层流或湍流与多孔介质流动进行耦合。此接口仍然是支持与电化学接口相互耦合的唯一接口,耦合接口可用于多孔电极建模。

Kozeny-Carman 渗透率模型

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本的达西定律 接口中新增了 Kozeny-Carman 渗透率模型,可供您基于孔隙率和粒子直径来估算颗粒介质的渗透率。

用于计算热力学属性的内置功能

“化学反应工程模块”中的热力学属性数据库可用于计算流体属性,例如,生成焓、反应焓、热容、导热系数、密度、扩散系数和平衡组成。系统可以针对纯流体、混合物以及由纯化合物和混合物组成的两相流体系统来计算这些属性。

您可以为特定的系统创建属性包,从而指定可在建模系统中显示的物质和相(聚集状态)。属性包可以定义并计算化学系统的热力学属性和传递属性的函数,例如,液体、气体、气-汽平衡(闪蒸计算)以及液-液平衡的物质和混合物属性。

内置数据库包含 251 种化学物质或化合物的传递属性和热力学属性。外部属性包 特征可以链接到外部 CAPE-OPEN 兼容包,从而实现在计算内置数据库的同时,还能计算其他属性函数。

带注释的“反应工程”设置屏幕截图。

属性包“设置”窗口。可以从内置的热力学数据库中选择要参与甲烷重整过程的物质。

属性包“设置”窗口。可以从内置的热力学数据库中选择要参与甲烷重整过程的物质。

通过耦合属性包自动定义热力学属性

创建属性包后,您便可以将其中的化学物质与反应工程化学 接口中定义的化学物质进行耦合,这些接口所需的所有物质属性参数和属性函数都可以通过属性包自动创建。可自动创建的物质属性包括每种物质的摩尔质量、热容、焓和熵等。反应工程化学 接口还可用于定义所生成混合物(接口中的所有物质)的传递属性。耦合后,可以自动创建以下混合物属性:热容、密度、扩散系数、导热系数和动力粘度。

使用属性包可以大幅改进反应工程化学 接口的建模功能。您可以直接使用气体和液体的所有理想和非理想热力学模型,并能通过编辑属性包的设置自动更新这些模型。此外,化学 接口还可用于在空间相关的模型中轻松获取混合物的属性,从而为质量传递、传热或流体流动建模。

带注释的“反应工程”设置屏幕截图。

反应工程接口与 属性包耦合后的“设置”窗口。反应工程接口中的物质可以同热力学属性包中的属性相匹配。

反应工程接口与 属性包耦合后的“设置”窗口。反应工程接口中的物质可以同热力学属性包中的属性相匹配。
使用 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本创建的 4 缸内燃机模型。

四缸内燃机冷却液的密度、粘度、热容和导热系数通过热力学属性包进行计算。流体流动和传热分析与热力学和传递属性函数完全耦合。

四缸内燃机冷却液的密度、粘度、热容和导热系数通过热力学属性包进行计算。流体流动和传热分析与热力学和传递属性函数完全耦合。

新增教学案例:膜反应器中的加氢脱烃

热力学属性数据库的主要用途之一是为化学和化工中的反应系统建模。膜反应器中进行的热加氢脱烃过程可通过内置的热力学和物理属性计算进行建模。带膜和不带膜的管式反应器的传递和反应问题可通过热力学属性包来定义和求解。

“膜反应器中的加氢脱烃”模型中的摩尔流率图。

膜反应器出口的摩尔流率随反应器长度的变化情况。

膜反应器出口的摩尔流率随反应器长度的变化情况。

案例库路径:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Thermodynamics/membrane_hda

新增教学案例:发动机冷却液属性

热力学属性数据库的第二种可能的应用是模拟纯流体流动问题或涉及传热(即,不涉及化学反应)的流体流动问题。在本教学案例中,您可以研究内燃机液体冷却液的属性。虽然纯水是很好的冷却液,但为了防止低温凝固,通常使用乙二醇和水的混合物来降低凝固点。这里使用内置的热力学功能来显示沸点、密度、粘度、导热系数和热容随冷却液混合物成分而变化的情况,以及这些属性变化对冷却过程的影响。

使用“化学反应工程模块”建模的发动机冷却液。

模型中考虑了测试装置内的冷却液温度。

模型中考虑了测试装置内的冷却液温度。

案例库路径:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Thermodynamics/engine_coolant_properties

新增教学案例:蒸馏塔

新的热力学属性数据库的第三种可能的应用是模拟涉及闪蒸计算(如蒸馏)的分离过程。本教程演示如何建立简单的二元蒸馏过程模型,模拟乙醇和水的非理想液体混合物的分离。蒸馏过程在填充塔中进行,利用挥发性差异进行物质分离,得到逆流气相和液相物质。该模型使用新的内置热力学属性数据库中的“平衡计算”功能,用于根据萃取和精馏段的长度来确定蒸馏塔的最佳设计,以符合一组预定义的馏出液和残渣成分。

来自“蒸馏塔”教学案例的图表。

显示蒸馏塔内计算的操作线的 x-y 图(相图)。

显示蒸馏塔内计算的操作线的 x-y 图(相图)。

案例库路径:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Thermodynamics/distillation_column